圖為東方汽輪機燃氣輪機整機試驗室。
圖為中國首臺F級五十兆瓦重型燃機滿負荷運行見證儀式現(xiàn)場。
重型燃氣輪機是大型裝備的“心臟”。數(shù)十年來，為解決該領域技術(shù)短板帶來的“心臟病”，以東方汽輪機為代表的中國企業(yè)與以西安交通大學為代表的高校科研院所聯(lián)合攻堅克難，付出了不懈努力。多少人擇一事，干一生，無怨無悔。他們是父母，是愛人，是兒女，更是祖國的科研人員。
有一份責任與使命
盡管已過去一年多的時間，站在燃機試車臺一側(cè)的監(jiān)控室內(nèi)，東方電氣集團首席技術(shù)專家趙世全仍能清楚地記得那個激動人心的時刻。
“三、二、一，點火!”
伴隨點火命令的下達，重型燃機8個燃燒筒同時點火燃燒并穩(wěn)定運行，標志中國首臺自主研發(fā)的F級50兆瓦重型燃氣輪機整機點火試驗成功。
“為了那一刻，我們拼了10年!”趙世全難掩激動，感慨萬分。
重型燃氣輪機是發(fā)電和驅(qū)動領域的核心設備，關(guān)乎能源安全和國防安全，是國家科技水平和綜合國力的象征。由于涉及多學科、多領域、多系統(tǒng)且設計制造難度極高，其又被譽為裝備制造業(yè)“皇冠上的明珠”。
摘取這顆明珠談何容易!長期以來，僅有美國、日本、德國等少數(shù)國家能夠自主研發(fā)重型燃機。“我們在購買時沒有議價權(quán)，要價很高，但沒有辦法。”趙世全坦言，后續(xù)的檢修維護周期長，費用高，當時有句玩笑，買一臺設備就好比給外企開一家銀行，他們可以隨時來提款。此外，一旦“斷供”，電廠就只能“癱瘓”。
為改變被動局面，本世紀初，包括東方汽輪機在內(nèi)的中國企業(yè)開始引進國外技術(shù)，雖然解決了重型燃機從無到有的問題，但一直處于組裝型制造階段，其高溫部件設計制造和試驗驗證技術(shù)仍屬空白，極大阻礙了重型燃機國產(chǎn)化進程和產(chǎn)業(yè)體系發(fā)展。
這是為何呢?
“只要一談到關(guān)鍵核心技術(shù)的轉(zhuǎn)讓，國外企業(yè)都是一口拒絕。”趙世全說。原來，國外技術(shù)的引進僅限于冷端部件，核心的熱端高溫部件設計制造及試驗技術(shù)則被國外長期壟斷封鎖。
關(guān)鍵核心技術(shù)是要不來、買不來、討不來的，只有把關(guān)鍵核心技術(shù)掌握在自己手中，才能真正自立自強!
2009年，東方汽輪機開始組建科研團隊，在沒有設計規(guī)范、設計程序，也沒有設計經(jīng)驗的條件下，毅然踏上了自主研發(fā)F級50兆瓦重型燃氣輪機的艱辛征程，向沖破國外關(guān)鍵核心技術(shù)封鎖發(fā)起了沖刺。
F級50兆瓦重型燃機的零部件多達數(shù)萬個，從設計技術(shù)到材料機械，再到試驗設施，任何一項都是十分龐大復雜的系統(tǒng)工程。即便再難，當時仍有許多工程師主動報名，在他們眼中，這是一份責任與使命。
“幾乎是從零開始，一路上摸爬滾打，常常是剛從一個坑起來又掉進另一個坑。”趙世全說，沒有人能說清這其中到底經(jīng)歷了多少失敗。如果問大家有啥想法，每位科研人員心里只憋著一股子勁兒：再苦再累，也得造出咱中國人自己的重型燃機!受制于人的滋味不好受!
埋頭干十年磨一劍
重型燃氣輪機可分為E級、F級和H級，溫度越高，技術(shù)等級越高。簡單來說，它能承受多大的高溫，決定了它有多大的能力。F級重型燃機工作溫度可達1400攝氏度左右，要保障高溫部件在金屬熔點以上安全穩(wěn)定工作數(shù)萬個小時可不容易。
透平葉片正是核心高溫部件之一。對趙代銀來說，2011年具有特殊意義。這一年，他大學畢業(yè)來到東方汽輪機工作，同時也迎來了一次人生的重要選擇。“工作不到兩個月，廠里新成立的高溫部件實驗室招人，做高溫透平葉片研發(fā)。”趙代銀說，若繼續(xù)做常規(guī)研究，會更輕松安穩(wěn);如果去研制葉片，道路肯定十分曲折。“但一想到我們還沒有能力造，而自己能夠參與進去，這是人生幸事!”
就這樣，趙代銀下定了決心，這一干就是9年。9年里，他基本看完了所有與精密鑄造相關(guān)的文獻與書籍;3000多個日夜，他一門心思撲在了透平葉片的研發(fā)上。
功夫不負有心人。以趙代銀為代表的研發(fā)團隊相繼解決了葉片變形、疏松、熱裂、斷芯等難題，還設計出國內(nèi)第一套基于六點定位陶瓷型芯的蠟模模具，榮獲國家發(fā)明專利，填補了該項技術(shù)空白。
研發(fā)重型燃機之所以難，除了研制關(guān)鍵高溫部件，還需要長期試驗結(jié)果的積累。“僅設計出來還遠遠不夠，要對其有效性、合理性及可靠性進行反復試驗驗證。所以我們一邊設計，一邊搭建試驗平臺。”趙世全說。
試驗平臺的搭建同樣在摸索中進行。“失敗、改進、調(diào)試，再失敗、再改進、再調(diào)試……這是試驗臺建設的常態(tài)。”田曉晶說。作為東方汽輪機燃燒器技術(shù)研發(fā)團隊的主研，她與其他成員一起向一個個難關(guān)發(fā)起挑戰(zhàn)。
有一天，燃燒器高壓試驗突然出現(xiàn)問題。那時，整個試驗廠房彌漫著煙氣，面對18個大氣壓下、1400攝氏度的高溫燃氣火苗隨時會噴出的險情，田曉晶沒有后退，而是緊張有序地組織意外發(fā)生后的處置工作。好在只是高溫燃氣局部泄漏引燃了部分外部管道，經(jīng)過兩個多小時的現(xiàn)場排查，試驗恢復了。
“這么多年來，有沒有后悔過自己的選擇?”
“當個人價值和國家需要緊緊聯(lián)在一起時，從未后悔!”
這是無數(shù)個趙代銀、田曉晶的心聲。正是有了他們的拼搏與奉獻，東方汽輪機陸續(xù)完成重型燃機的壓氣機、燃燒器、透平葉片等核心部件及總體結(jié)構(gòu)設計與制造，建成壓氣機試驗臺、燃燒器試驗臺、透平高溫葉片試驗室及整機測試平臺，形成了完整的設計、制造、試驗體系。
接下來到了整機試驗階段。在點火試驗和空載荷運行試驗后，25%、50%、75%……負荷逐漸增加。2020年11月27日，在6位院士與專家組的見證下，F(xiàn)級50兆瓦重型燃氣輪機順利實現(xiàn)滿負荷穩(wěn)定運行。
滿負荷試驗是重型燃機研發(fā)最關(guān)鍵的驗證節(jié)點，也是電站長期運行前的最后一項性能試驗。“十年磨一劍，我們啃下了發(fā)電裝備領域的一塊‘硬骨頭’!”趙世全說，與同等功率進口燃機相比，整機制造成本、運行與維護價格可大幅降低，檢修周期可縮短50%以上。
促進實現(xiàn)跨越發(fā)展
從歷史上看，科學技術(shù)的每一次突破，重大工程的每一步跨越，都是團結(jié)協(xié)作的結(jié)果。重型燃機的自主研發(fā)同樣如此。東方汽輪機在加強自身實踐的同時，還與西安交通大學、上海交通大學、西北工業(yè)大學等高校的科研團隊開展全方位合作，協(xié)同攻關(guān)。
由西安交通大學副校長王鐵軍率領的科研團隊便是其中一員。“卡在哪里，就突破哪里!”抱著堅定的信念，王鐵軍團隊在2006年聯(lián)合東方汽輪機等，承擔了重型燃機領域首個國家973計劃項目，該項目在2012年又獲國家滾動支持。
重型燃氣輪機每項技術(shù)突破都必須經(jīng)歷“基礎理論→單元技術(shù)→零部件實驗→系統(tǒng)集成→綜合驗證→產(chǎn)品應用”的全過程。其中，基礎理論是“地基”。事實證明，基礎研究是科技創(chuàng)新的源頭。中國面臨的很多“卡脖子”技術(shù)問題，根子是基礎理論研究跟不上，源頭和底層的東西沒有搞清楚。
“一不圖名，二不求利，我們就是要沉下心來，集中攻克重型燃機關(guān)鍵核心技術(shù)及相關(guān)的基礎科學問題。”王鐵軍說。
高溫葉片熱障涂層是國際公認的重型燃機制造核心技術(shù)之一。與航空發(fā)動機相比，其工作時間更長，隔熱面積更大，在性能要求、微結(jié)構(gòu)、制備方法等方面也有不同。數(shù)十年來，王鐵軍團隊潛心系統(tǒng)研究了重型燃機熱障涂層強度理論、實驗方法、制備技術(shù)及應用，并取得了一系列創(chuàng)新成果。
人們可喜地發(fā)現(xiàn)，基礎理論和關(guān)鍵技術(shù)慢慢成型，越來越多的高校科研成果應用到中國首臺F級50兆瓦重型燃氣輪機的研發(fā)上，融入進企業(yè)的生產(chǎn)實踐中，大大縮短了基礎研究到工程應用的鏈條，促進了中國自主重型燃機產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)跨越發(fā)展。
“大家團結(jié)協(xié)作、校企協(xié)同攻關(guān)，是我們攻克關(guān)鍵核心技術(shù)的法寶。”王鐵軍表示，未來校企將在更高層面共謀創(chuàng)新、合作與發(fā)展，共建平臺，共擔任務，共闖難關(guān)!
在攻關(guān)中，王鐵軍帶領團隊出版了中國第一套關(guān)于燃氣輪機設計制造的專著系列《先進燃氣輪機設計制造基礎》，還培養(yǎng)了一支優(yōu)秀的人才隊伍。
“人才的培養(yǎng)與建設非常重要。F級50兆瓦重型燃機投用后，我們會不斷優(yōu)化提升其性能，目前該領域的研發(fā)能力相較國外先進企業(yè)還有較大差距。”趙世全表示，但通過自主研發(fā)，企業(yè)和高校都建立起了專業(yè)的科研團隊，只要坐得住“冷板凳”，假以時日，我們從“跟跑”到“并跑”甚至“領跑”，并非沒有可能。
